CC BY
9
DOI: 10.15587/2312-8372.2017.119319
РОЗРОБКА КОНЦЕПЦП СИСТЕМИ МОН1ТОРИНГУ БЛИСКАВОК, ЯК1 УРАЖУЮТЬ СПОРУДИ
Шостак В. О., Прилепа Р. Ф., Козлов О. Ю., Бржезицький В. О.
1. Вступ
Даш щодо грозово1 активностi е важливими для рiзних галузей i вщповщ-них об'еклв. Зокрема, в них зацшавлеш електроенергетика, авiацiйна та ракет-HO-KOCMi4Ha галузь, промисловiсть, яка пов'язана i3 видобутком та переробкою паливних матерiалiв та вибухових речовин, комплекси для обробки та переда-вання шформацп, лiсництво, тваринництво, страховi компанii та ш Цi данi та-кож використовуються для розробки нормативних докуменлв з блискавкозахи-сту i для проектування рiзноманiтного обладнання.
Вже кшька десятирiч збирання даних щодо характеристик гроз i !х розви-ток у реальному час^ а також щодо параметрiв блискавок здiйснюеться за до-помогою автоматизованих дистанцiйнF ^истеми реестрацii i локацii (LLS -Lightning Location System), як наземного, так супутникового базування [1-3]. Таю системи забезпечують шформацш щодо поточноi грозовоi активностi на значних територiях, а також данi для прогнозування та попередження. На даний час широкого розповсюдження набули системи детектування i пеленгацп блискавок (LLS) в рiзних крашах i регюнах, а також дещо простiшi системи попередження про грозову актившсть (TWS - Thunderstorm Warning System) в межах певно!' вщсташ вщ об'ектiв. Як приклади наземних систем, можна навести LLS рiзних виробниюв - VAISALA (LDN, Lightning Detection Network - в Швшчнш Америщ, у Gвропi, iн.), SAFIR, BOLT [1, 2, 4, 5]. Попереджувальш системи TWS - TLDS, THOR GUARD, LDS Boltek, ATSTORM, LPI LWS [5-9].
Системи LLS мають загально високу ефективнiсть виявлення розрядiв блискавки (близько 99 %), а похибку локацп можуть мати порядку 0.05-4 км. Системи TWS мають дещо нижчу ефективнють (20-80 % [10]) та в бшьшост варiантiв виконання за результатами вимiрювання електричних i магнiтних по-лiв оцшюють лише орiентовну вiдстань до блискавок (5... 40 км) i надсилають вiдповiднi сигнали попереджень рiзного рiвня потенцiйноi небезпеки до спожи-вачiв. Важливим е те, що ш LLS, нi звичайнi TWS не дають реестрацii точного мiсця ураження блискавкою об'ектiв.
В той же час, вщповщно до чинних у свт i в Украiнi (ДСТУ Б В.2.5-38:2008, ДСТУ EN 62305:2012) нормативних докуменлв з блискавкозахисту, необхщно проводити обстеження систем блискавкозахисту на об'ектах i самих об'ектiв перь одично (зокрема, на початку грозового сезону) та тсля кожного ураження. Проблема полягае в тому, що коли об'ект мае значш розмiри, то виконання таких об-стежень вимагае значних ресурсiв. Крiм того, при експлуатацii багатьох об'еклв (наприклад, лiнii електропередач (ЛЕП), вггрогенераторних установок) важливо отримувати не лише архiвну, а також i оперативну шформацш про ураження бли-
скaвкaми i можливi пошкодження, що допоможе ефективно плaнyвaти yсyнення aвaрiйниx ситyaцiй, спричинениx грозовою aктивнiстю.
Тому тепер в окремиx крaïнax aктивно розвивaють вaрiaнти TWS, якi вклю-чaють вiдеокaмери для точно!' реeстрaцiï мюця yрaження нa об'eктi. Зокремa, в Китш' тa Японп вже зaпровaдили тестовi системи монiторингy (СМ) блисгавок нa ЛЕП, якi бaзyються та використaннi вiдеокaмер [11-14], що дозволяе оперaтивно оцiнити можливi мaсштaби пошкоджень в режимi реaльного чaсy (передaчa дaниx по 3G-мережi). Цi системи е лише концептом, a не повнощнним комерцшним продуктом, i потребyють подaльшого розвитку. В ниx реeстрyють свiтловий ста-лax в кaнaлi розряду для вироблення тригеруючого сигнaлy нa почaток зaписy вь део. Сше цi системи не комбшують в собi систему вiдеоспостереження зa об'ектом тa попередження про грозову aктивнiсть (що мaло би бути в повнощннш TWS) i не рееструють ЕМ-полiв, пов'язaниx з блискaвкaми. Вони можуть iнколи не реeстрyвaти блискaвки без тривaлоï компоненти струму aбо xибно спрaцьовy-вaти ^rna, тyмaн, невеликa iнтенсивнiсть свiтiння кaнaлy розряду блискaвки вдень, iншi оптичш явищa, не пов'язaнi iз блискaвкою). Вiдсyтнiсть же реeстрaцiï полiв не дae можливостi отримaти вiдомостi про тaкi збо1'.
Для дослiдження блиставок в Kитaï було створено високоточну систему (Кт^йсь^ сiткy мережi виявлення блиставок, CGLDN), в якiй скомбiновaно системи LLS тa TWS i ïx доповнено високошвидкiсною кaмерою та основi CCD-мaтрицi тa iншими пристроями [15]. Системa дозволяе у xорошомy чaсо-вому розрiзненнi здiйснювaти реeстрaцiю короткотривaлиx склaдовиx блистав-ки i здiйснювaти нaдiйне кaлiбрyвaння iншиx LLS тa TWS. Але вaртiсть сyчaс-ниx високошвидкiсниx кaмер стaновить близько 12 000...1GGGGG дол. США. Зрозумшо, що для систем монiторингy блиставок (СМ) нa окремиx об'eктax требa плaнyвaти бiльш економiчнi теxнiчнi ршення. 1нколи дослiдницькy кaлi-брaцiю локaцiйноï точностi LLS проводять i з використaнням звичaйниx вщео-кaмер, нaприклaд, в Японп [11].
Отже, дaнa роботa нaпрaвленa нa розробку пропозицш щодо концепцiï СМ блискaвок та об'eктax, якa б мaлa прийнятш xaрaктеристики i влaстивостi TWS, включaлa дaтчики ЕМ-поля i орieнтyвaлaся та звичaйнi IP вiдеокaмери.
2. Об'ект дослiдження та його технологiчний аудит
Об 'ектом дошдження в дaнiй робот е системa монiторингy блисгавок, якi yрaжyють конкретнi споруди aбо вiдбyвaються поблизу ниx. В xодi цього досль дження плaнyeться та основi aнaлiзy xaрaктеристик блискaвок i достyпниx те^ч-ниx зaсобiв зробити пропозицп щодо системи монiторингy. Ta^ СМ мae дозволя-ти вчaсно детектyвaти нaближення грози (зa 20-4G км) тa розвиток грозонебезпеч-но1' ситyaцiï нa мiсцi (зa 0.3-1 годину до першого розряду). Taкож - своeчaсно приводити в готовшсть компоненти СМ тa зaбезпечyвaти фiксaцiю мiсця yрaжен-ня нa об'ект чи поблизу нього тa передaвaння i збереження вiдповiдниx дaниx. Прик^ структури iснyючоï СМ з вiдеореeстрaцieю [13] нaведено нa рис. 1.
СМ може включaти рiзномaнiтнi дaтчики (оптичного сигнaлy, електрично-го тa мaгнiтного поля, звуку), пристро1' (вщеотамери, зaсоби зв'язку, синxронi-зaцiï зaписiв по чaсy - приймaч GPS), комп'ютерш i прогрaмнi зaсоби, яю мa-
ють забезпечити надшний монiторинг рiзних видiв блискавок i явищ, що !х су-проводжують. Система повинна рееструвати блискавки в тому числi iз мшма-льними параметрами (по штенсивност i тривалостi струму, ЕМ-поля, свтнню, грому). По струму необхiдно рееструвати блискавки з тривалими (долi-одиницi секунд) та iмпульсними (десятки-сотнi мiкросекунд) компонентами струму, коли вони присутш в розрядi разом або ж окремо.
Рис. 1. Блок-схема системи мошторингу з вщеореестращею блискавок [13]
Повинш фiксуватися розряди як з хмари до земл^ так i в зворотному напрям-ку. Вщеозаписи мусять мати якiсть достатню для розрiзнення каналу блискавки i мюця ураження як вдень, так i вночi, в т. ч. за поганих погодних умов. Система мае працювати цтодобово протягом усього року. Якщо система працюе в режимi чергування («сну»), то запуск й у режим готовностi до збереження записiв мае вь дбуватися за рiзними критер1ями, що характернi для появи грозово! обстановки. У випадку планування порiвняння i сумiсного анашзу записiв СМ iз записами дис-танцiйних систем реестрацii блискавок або поглибленого анашзу записiв всiх дат-чикiв це потребуе застосування точних GPS-приймачiв для мiток часу i прив'язки по координатах. Вiдеореестрацiя розряду i запис рiзних характеристик для такого короткочасного явища як блискавка потребують спецiальних рiшень.
Якщо споруда представляе собою об'ект з вщносно невеликими розмiрами (десятки чи сотнi метрiв в планi), то рiзне обладнання СМ може бути пов'язано м1ж собою i з сервером за допомогою кабелш, оптоволоконно! мережi та радiозв'язку (на-приклад, Wi-Fi). Якщо ж об'ект простягаеться на великi вiдстанi чи плошд (як ЛЕП, парки вггрогенераторних установок, трубопровода), то тут зв'язок окремих станцш
реестраци з центральною станщею забезпечують саме через радюканали. Taxi вщда-леш станцй' реестраци типово мають автономш системи живлення.
Щодо недолiкiв можна зазначити, що в юнуючих окремих СМ з вщеофш-сaцiею мюця ураження [13] е обмеженими можливост камер. Зокрема, при зви-чайнш типовiй чaстотi кaдрiв (25... 50 к/с) i автоматичних режимах по свплочу-тливостi вони здaтнi вщносно нaдiйно рееструвати лише розряди, в яких прису-тня тривала компонента струму. Також тригерування для початку запису вщео-фрагменту з блискавкою в пам'ять i передавання на сервер забезпечуеться зви-чайно лише оптодатчиком (рис. 1). Iншi датчики застосовують рiдко або недо-статньо обгрунтовують ïхнi характеристики. Вибiр характеристик оптодатчика потребуе додаткового анаизу i перевiрки. У вiдносно простих СМ синхрошза-цiя зaписiв по часу типово ведеться через комп'ютерш мережi i досить обмеже-на в точност (секунди). Taкi системи зазвичай працюють безперервно весь час в очшуванш грозових розрядiв в зош об'екту i в постiйнiй готовност до запису.
3. Мета та задачi дослiдження
Метою даноХ роботи е розробка концепци системи мониторингу блиска-вок, що уражують споруди i вщбуваються поблизу них. Ïï досягнення дозволить закласти базу для обгрунтованого вибору структури СМ, режимiв i aлгоритмiв роботи, характеристик ïï компонента.
Для досягнення постaвленоï мети ставляться таю задача
1. Проанаизувати iснуючi системи грозового попередження та системи мошторингу iз визначенням основних ï^ технiчних рiшень та недолтв i на цiй основi запропонувати концепщю розвинутоï системи монiторингу блискавок, що вражають великi споруди i вщбуваються поблизу них.
2. Визначити структуру зaпропоновaноï СМ, основнi режими ïï роботи, параметри грозових явищ i блискавок, якi мають детектуватися для тригерування СМ та рееструвати.
3. Запропонувати датчики для та^' системи i ощнити необхщш характеристики окремих компонентiв СМ.
4. Провести первинну перевiрку працездатност оптодатчика щодо мож-ливостi реестраци короткотривалого свiтлового випромiнювaння iз каналу iм-пульсного розряду зi струмом, характерним для типовоï блискавки.
4. Дослщження iснуючих р1шень проблеми
Принцип роботи звичайних попереджувальних систем базуеться перш за все на aнaлiзi змш електричного та мaгнiтного полiв. Пiдчaс наближення грозового фронту напруженють квaзiстaтичного електричного поля зростае, що слу-гуе сигналом для запуску TWS та розсилання первинних попереджень. При ви-явленш змш магштного поля, що е характерним для розрядiв блискавки, коли вектор перемщення розрядiв е направлений в сторону об'екту, який захищаеть-ся, система повщомляе про наближення грози. Для виявлення змши мaгнiтного поля, таю системи використовують влaснi грозодетектори або ж додатково ви-користовують iнформaцiю вiд систем LDN [3, 5-9].
Можна po3pÍ3HHrn два ochobhí види систем TWS, в залежност вiд типу датчи-kíb напруженостi квазiстатичного електричного поля: з електромеханiчними флюк-сметрами та з електронними системами. Продукц1я електромеханiчних систем представлена, наприклад, компан1ями Boltek Lightning Detection Systems [7] та VAISALA Thunderstorm and Lightning Detection Systems [5]. Системи TWS цих двох компанiй, якi ще аналiзуються нижче, доповнено грозодетекторами, що рееструють ЕМ-поле. В деяких системах додано i оптичн датчики (VAISALA). Електронна ж система вимiрювання напруженост електричного поля, наприклад, ATSTORM, ви-користовуеться iспанською компанiею Aplicaciones Tecnológicas [8].
Канадська корпорацiя Boltek виробляе обладнання та програмне забезпе-чення для отримання оперативно! та аналгтично! шформацп про грозовi явища. Системи спостереження за грозовими явищами ближнього i дальнього радiусу дп цього виробника складаються iз флюксметра EFM-100 для монiторингу електричного поля атмосфери та детекторiв блискавок LD-250, LD-350 i StormTracker [7]. О^м цього, е доступним широкий спектр допомiжних моду-лiв iндикацii шформацп, звукових та свплових модулiв попередження, перет-ворення та передачi даних. Основш параметри щодо реестрацп електричного поля флюксметра EFM-100, зпдно [7], включено до табл. 1.
Таблиця 1
Техшчш параметри флюксметрiв_
Параметр Рад1ус вияв-лення, км Межi вимiрювання напруженостi Е-поля, кВ/м Похибка вимiру напруженостi Е-поля, % Час реакцп, с
BOLTEK EFM-100 [7] 0-38 ±20 5 0.1
VAISALA EFM550 [5] - ±10 5 1
Aplicaciones Tecnológicas ATSTORM [8] 0-20 -32 - 1
VAISALA - фшська компанiя, яка розробляе та виготовляе обладнання для промислових вимiрювань [5]. Система попередження про грозову небезпеку ць е! компанii складаеться i3 наступних компонентiв:
- вимiрювач електричного поля гроз Vaisala EFM550;
- датчик грозових розрядiв Vaisala TSS928 з системою автоматичного оповщення про грозу Vaisala ALARM;
- система грозового оповщення Vaisala TWX300.
Флюксметр EFM550 (основш параметри вказано у табл. 1) дозволяе вимiрюва-ти локальну напружешсть електричного поля в атмосферi [5]. Принцип роботи його та конструкц1я аналопчш до таких у флюксметра компанп BOLTEC EFM-100.
Датчик грозових розрядав Vaisala TSS928 [5] е комплексним приладом для спостереження за грозовими явищами. Вш рееструе як електромагнiтнi параметри блис-кавки (напруженiсть електричного та магнiтного поля), так i оптичне випромiнювання вщ блискавки на близьких вщстанях. Виробник не надае всiх технiчних характеристик даного приладу, зокрема, i щодо оптичного датчика (лише зазначаеться, що вш реест-
руе ÍMnynbCHe засвiтлення неба над мюцем установки приладу). Радиус виявлення гро-зово1 активност складае вщ 0 до 56 км, ефектившсть виявлення розрядав блискавки на 19 км при одному розряд - 90 %, при двох - 99 %, при трьох - 99.9 % [5].
Розглянут вище системи базуються на вимiрюваннях напруженостi електри-чного поля за допомогою електромехашчних «польових млишв», якi себе добре зарекомендували в системах попередження. Однак в !х конструкци е суттевий не-долiк, що пов'язаний iз наявнiстю рухомих частин. Тому, наприклад, компания Aplicaciones Tecnológicas розробила та запатентувала [16] чисто електронний при-стрiй вимiрювання напруженостi Е-поля, який отримав назву ATSTORM. Параме-три пристрою наведено в табл. 1, зпдно [8]. Двi пари електродiв 1 та 4 (рис. 2) зна-ходяться на рiзнiй висот (d), що дозволяе отримувати диференцшвання вимiрю-вально1 величини (V s). Таким чином, немае необхщносп проводити кал1брування системи на об'ектi у зв'язку iз змшою висоти встановлення приладу.
Рис. 2. Диференцшна схема вимiрювання напруженостi електричного поля без
використання обертових частин: 1 - вимiрювальна пластина; 2 - операцшний пiдсилювач; 3 - перетворювач;
4 - допомгжний електрод компенсаци; 5 - комп'ютерна система [16]
Схема працюе наступним чином (рис. 2): на вимiрювальних пластинах 1 на-водяться потенцiали вщ напруженостi постiйного електричного поля, обумовлено! перерозподiлом зарядiв у атмосферi при наближенш грозового фронту. Цi потен-цiали надходять до операцiйних пiдсилювачiв (ОП) 2, в яких вщбуваеться шдси-лення сигнал1в у зручну форму для вим1рювання (У8). Зворотнш вщ'емний
зв'язок ОП виконано за допомогою конденсатора (не показано). Застосування конденсатора дозволяе зменшити втрати, а вщповщно i похибку вимiрювальноi величини, порiвняно з випадком застосування резистора. Така схема шдсилення вхiдного сигналу працюе в режимi iнтегрування вхiдноi величини. Для уникнення спотворення результату вимiру в ходi iнтегрування вхщного сигналу, на електрод
4 подаеться швертований вхщний сигнал Vc i3 певною затримкою. Таке рпнення дозволяе зняти потенцiал i3 пластини 1 (по аналоги i3 перюдичним екрануванням рухомим електродом вимiрювального електроду в «польовому млиш»), пiсля чо-го, через певний пром1жок часу, процес вимiрювання повторюетт я.
В компонент 3 виконуеться вiдразу декшька перетворень. Пiдсилений сигнал Vs, перетворюеться в цифровий за допомого аналого-цифрового перетво-рювача (АЦП), дай цей сигнал надсилаеться для анаизу до комп'ютерно!' системи 5, де штерпретуеться в напружешсть електричного поля. Одночасно Vs швертуеться та iз певною затримкою надсилаеться в ЦАП, вихiдний сигнал iз якого Vc вже надсилаеться на електрод 4.
Застосування саме електронно!' системи реестрування напруженост електричного поля дозволяе збшьшити надiйнiсть системи, зменшити енергоспожи-вання та електронш завади, обумовленi двигуном, не проводити каибрування в залежностi вiд змши висоти установки датчика. Такого типу датчик електроста-тичного поля може пропонуватися до концепцп СМ.
Як згадувалося, в останнi роки розвиваються локальнi системи мошторин-гу блискавок для об'еклв великих розмiрiв, як вже включають вiдеокамери (швидкiснi i звичайш) та датчики, зокрема для тригерування запишв [12-14].
Своечасне i зручне виявлення мюця пошкодження вщ удару блискавки можливе саме iз застосуванням вiдеокамер. Розглянемо одну iз таких систем, яку було розроблено в Кита!' i тестовано на ЛЕП 500 кВ (рис. 1) [13]. Принцип роботи тако!' системи вщносно простий. Пщ час спалаху розряду блискавки фотодатчик формуе тригеруючий iмпульс для запису певно!' кiлькостi кадрiв на SD-карту i одночасно даний фрагмент надсилаеться через 3G-модем на центра-льний сервер. Забезпечення живлення використовують вiд автономного модулю, коли неможливо живити систему вiд електрично!' мережi. Автономна система живлення складаеться iз контролера, що регулюе заряд акумулятора стру-мом вiд сонячно!' батарег Для керування системою монiторингу використовують одноплатний мжрокомп'ютер, в якому проводиться первинна обробка ш-формацп вiд вiдеокамери та подальше надсилання ïï на сервер. Зберiгання да-них вiд системи монiторингу на серверi дозволяе отримувати доступ до ^ï iз будь-якого мiсця через мережу 1нтернет.
Загалом, було встановлено 25 комплектiв системи монiторингу на ЛЕП 500 кВ, що проходить через прську мiсцевiсть. За 2015 р. було записано 134 спалахи типу хмара-хмара та 41 типу хмара-земля. Вщповщш приклади фотог-рафш-ка^в наведено у [13]. Отриманi записи дозволяють визначити мюця уражень, ощнити пошкодження на ЛЕП та збирати статистичш даннi про роз-ряди блискавки в регюш траси лшп.
Iншi системи iз застосуванням вщеокамер [12, 14] працюють за аналопчним принципом. Можна вiдзначити два основних недол^ таких систем - це можливе не фшсування на вщеокамеру моменту ураження блискавкою та не спрацювання оптичноï системи тригерування. Перший недолж пов'язаний iз тим, що система вщеоспостереження може пропустити розряд блискавки i не записати його в пам'ять. Це пояснюеться тим, що тривалють свтння каналу розряду блискавки
лише з iмпульсною компонентою струму може бути дуже короткою. Значно коро-тшою за тривалiсть одного кадру (20.. .40 мс) i навiть часу перенесення шформаци з одного кадру в пам'ять (сотш мiкросекунд). Другий недолж пов'язаний iз тим, що тригеруюча система може i не спрацювати з рiзних причин. Оптичний датчик може бути забруднений або заважае сильний дош/сшг. Або вдень, тд час грози, юнуе яскравий свггловий фон. Тому при малому струмi блискавки i, вiдповiдно, менш яскравому свiтiннi каналу, фотодатчик може не «помггити» розряд блискавки. Тому треба удосконалювати такi СМ з видеокамерами, зокрема, додавати iншi датчики (електричного та магнiтного поля, звуку), уточнювати !х характеристики i розвивати алгоритми роботи систем.
5. Методи дослщжень
Для вибору необхщних вимог для датчикiв та пристро!в реестрацii в СМ в робот застосовано аналiз даних електромагнiтних характеристик блискавок на основi експериментальних спостережень. Також використано методи моделю-вання датчиюв iз застосуванням схемотехнiчних програмних пакетв, аналггич-нi розрахунки та проведено експериментальш випробування окремих датчиюв для систем реестрацп.
6. Результати дослщжень
На основi аналiзу параметрiв блискавки, iснуючих систем попередження та спостереження за блискавкою запропоновано два варiанти концепцii системи мошторингу блискавок (СМ). Особливiсть полягае в тому, що вони включають ви-користання камер вiдеоспостереження та iншi датчики (не лише фотодатчик). Та-ке рiшення дозволить забезпечувати своечасне виявлення мюця та можливiсть ощнки пошкоджень, спричинених розрядом блискавки для об'екпв, що мають до-сить велию розмiри. Для того, аби записувати i аналiзувати подii у вiдрiзок часу перед, у момент та зразу тсля ураження блискавкою об'екту, застосовують триге-руючий iмпульс для СМ. Його формують датчики, що рееструють таю параметри блискавки як електричне та магштне поле, оптичне випромiнювання, грiм.
Через наявшсть «мертвого» часу вiдеокамери, тобто штервалу часу, коли вiдбуваеться зчитування шформаци iз матрицi та запис кадру в пам'ять, школи може не вщбутися вiдео реестрацiя. Цей час може складати вiд десяткiв до де-кiлькох сотень мiкросекунд. У випадку лише iмпульсноi складово! струму у блискавщ (вiдсутнiй безперервний струм у розряд^, час яко! може зб^атися iз зчитуванням/записом кадру, якраз може i не вiдбутися и реестрацiя розряду. Тому iншi сигнали вiд блискавки iз згаданих датчиюв також записуються у пам'ять разом iз отриманим вщеорядом. Аналiз записiв вiд датчикiв системи три-герування допоможе не тiльки тригерувати систему мошторингу, а й ощнити чи було ураження об'екту та яю орiентовно були параметри блискавки. Варто за-значити, що така шформащя послугуе також i для статистичного аналiзу пара-метрiв грозово! активностi в зонi розташування об'екту.
Керування системою мошторингу та первинний аналiз параметрiв блискавки вщбуваеться за допомогою одноплатного комп'ютера (ОК), який збер^ае
даш на SD-карту та пересилае пакети даних через модуль зв'язку на сервер, де вщбуваеться накопичення та детальне опрацювання отримано!' iнформацiï.
6.1. Комплексна система
Запропонований концепт комплексноï системи мошторингу блискавок (СМ) представлено на рис. 3. Основними ïï компонентами е система датчиюв (СД), вщеокамери, одноплатний комп'ютер (ОК) та модуль зв'язку. СМ з такою структурою дозволить попереджати про наближення грозового фронту до об'екту, здшснювати записи даних в момент ураження блискавкою i збирати статистичш даш про грози i блискавки в зош розташування об'екту.
АНАЛОГОВИЙ СИГНАЛ----►
ЖИВЛЕННЯ ->
Рис. 3. Блок-схема комплексноï системи мониторингу блискавок
Комплексна система мошторингу блискавок працюе наступним чином. Антена «повшьного» Е-поля керуеться драйвером, який виконаний на основi патенту [16], далi отриманий цифровий сигнал аналiзуеться одноплатним комп'ютером. При пiдвищеннi напруженост Е-поля до 1-10 кВ/м, навпъ ще за
вщсутност розрядiв блискавки, система монiторингу через модуль зв'язку над-силае шформащю про можливiсть або наближення грози.
В той же час антени магштного та «швидкого» електричного поля аналь зують дальнiсть грозових розрядiв. У випадку 1'х поступового наближення до об'екту (зростання амплiтуд сигнаив ЕМ-поля), СМ виходить iз режиму чергу-вання, тобто починаеться циктчний запис вiдео в пам'ять SDRAM i одночасно iз цим надсилаеться сигнал попередження про небезпеку появи грози.
При грозовому розрядi в ближнш зош дiï СМ (зона, в яюй ведеться вщеос-постереження) мають спрацювати оптичний датчик та мжрофон, сигнал iз яких записуеться та виступае в ролi тригеруючого iмпульсу для початку зберiгання фрагменту вщео в пам'ять. Оскiльки запис вщео вже ведеться, то тсля подачi тригеруючого сигналу iз нього вилучаеться та збер^аеться фрагмент вщео з ш-тервалом часу близько 1.5 с до тригеруючого сигналу та 2 с тсля нього. Ц параметри вибрано на основi статистичних даних щодо тривалост передрозряд-них процесiв i розряду блискавки [3, 17-19].
Для резервування функцш тригерування використовуеться аналiз форми та амплпуди ЕМ-поля, оскльки оптичний та звуковий датчики можуть не вщчути спалах блискавки або зустрiчний стример/лiдер, що сформувася на об'екп, за яким ведеться монiторинг. Детальшше рiвнi характеристик електричного та магштного поля, свгглового та звукового випромшювання, на якi мають реагувати датчики та система, наведено дат у роздш 6.3, де обговорюються окремi компоненти СМ.
Для поглибленого анатзу iнформацiï вiд СМ всi параметри, як фiксуе СД та яю виступають в ролi тригеруючого сигналу, записуються разом iз фрагментом вщео. Синхронiзацiя часових параметрiв запишв та накладання мiток часу на записи, отримаш за допомогою СМ, вщбуваеться iз застосуванням прийма-чiв GPS (Global Position System).
Передача шформацп вщ СМ здiйснюеться за допомогою модуля зв'язку, в якост якого можуть виступати, наприклад, 3G-модем, радiомодулi для передачi даних, проводовi лiнiï (вита пара) чи волоконно-оптичш лiнiï зв'язку (ВОЛЗ). Використання 3G-модему або iнших радiомодулiв доцiльне лише тод^ коли не-можливе проводовi чи оптико-волоконне пiдключення до локально!' мережг
Живлення СМ вiдбуваеться за допомогою тдключення до електромережi через блок трансформацп та стабiлiзацiï напруги по шинам 5 В для живлення ОК та модулю зв'язку i +/-20 В для живлення СД. Як варiант, живлення може забезпечуватися також iз використанням автономного блоку живлення (який включае сонячну панель, акумуляторну батарею та контролер заряду).
Аналоговий сигнал вщ антен, пройшовши пiдсилення та фшьтращю в пе-ретворювачi сигналу (ПС), надходить на 4-канальний 16-бггний АЦП, оскiльки в ОК найчастше немае вбудованого перетворювача. «Повiльна» антена Е-поля не потребуе перетворення вимiрювальноï величини в цифровий формат, осюль-ки в ïï згаданому драйверi вже вбудовано АЦП.
Отримана шформащя вiд СМ надсилаеться на сервер для подальшого ана-лiзу оператором та автоматичного повщомлення про наближення грозового фронту чи ураження об'екту. Осюльки окремi вiдеофрагменти, якi були отримаш вщ тригерування ЕМ-полем, можуть не мютити розряду блискавки, то для
!х аналiзу доцiльно застосувати бiблiотеку комп'ютерного зору Open CV [20]. Таке можливе внаслiдок змiни фону ЕМ-поля грозового фронту над об'ектом, за яким ведеться мониторинг, коли напружешсть поля може перевищувати мь шмальш параметри, на якi налаштовано систему. Використання дано! бiблiоте-ки допоможе виокремити iз фрагментiв вiдео, отриманих вщ СМ, саме кадри, в яких зафшсовано момент ураження блискавки.
Зрозумшо, що компоненти СМ повинш бути реалiзованi у виконаннi, яке забезпечуе надiйну довготривалу експлуатацiю у вщповщних клiматичних умо-вах. Також !х електрична частина мае захищатися вiд перенапруг.
6.2. Спрощена система
Для певних об'екив, зокрема як простягаються на великi вiдстанi i потре-бують велико! кiлькостi станцш реестрацп, е сенс розглянути варiант спрощено! системи монiторингу (ССМ). Для спрощення конструкцп СМ та ii здешевлення можна виключити блок антени магштного поля, «швидко!» антени Е-поля та звуковий датчик. Таке ршення дозволить аналiзувати меншу кiлькiсть параме-трiв явищ, що супроводжують розряд блискавки. Наприклад, не буде можливо-стi оцiнювати амплiтуду струму блискавки за запитом магнiтного поля. В той же час ССМ зможе виконувати свою основну функцш - попереджувати про наближення грозового фронту та вести вщеоспостереження за блискавками. Концепцш ССМ представлено на рис. 4 та описано нижче.
цифровий сигнал-►
АНАЛОГОВИЙ СИГНАЛ----■►
ЖИВЛЕННЯ ->
Рис. 4. Блок-схема спрощено! системи мониторингу блискавок
Пiд час наближення грозового фронту, «повшьна» антена Е-поля рееструе його змiни, i при збшьшенш напруженостi електричного поля понад критичний
рiвень запускае систему мониторингу та надсилае через модуль зв'язку попере-джувальний сигнал про приближення грозового фронту до об'екту. Запуск ССМ шщше процес циктчно1' вiдеозйомки, а вщеосигнал в режимi реального часу надсилаеться на сервер.
Сервер здшснюе обробку видеосигналу за допомогою спецiалiзованого ПЗ, основаного на бiблiотецi комп'ютерного зору Open CV. Алгоритм роботи ПЗ полягае у визначенш середньо1' яскравост кадру (в момент розряду блискавки яскравють пiдвищуеться) та порiвняннi його iз попереднiм кадром. Якщо зафш-совано змiну яскравостi, то вщбуваеться збереження кадру.
В данiй ССМ оптичний датчик не тригеруе момент збереження вщео, а лише тригеруе накладання спещально1' мiтки часу на вщео при його спрацюваннi та дозволяе записати змiну в чаш штенсивност спалаху вiд блискавки. Таке рiшення обумовлено тим, що оптичний датчик школи може не спрацювати. Це може тра-питися, наприклад, при яскравому фош (свпла хмарнiсть вдень) або ж при поганш видимостi (туман чи сильний дощ або снiг). Вiдповiдно, може не вщбутися тригерування системи i вщеофшсацш, якщо сподiватися лише на оптодатчик. В той же час програмний аналiз всього вщеоряду, отриманого на протязi часу дп грозового фронту, допоможе уникнути цього. Через наявнють «мертвого» часу вщеосистеми та можливого розряду блискавки лише з короткотривалою iмпульсною компонентою, як можуть збiгатися у чаш, вщеофшсацш може не вiдбутися. Оптичний датчик в данш ситуацп допоможе в ходi постаналiзу визначити чи вщбувся розряд, скiльки було iмпульсiв струму в ньому та ш. Тому комбiнування цих двох титв датчикiв в СД та видеокамер дозволить суттево зменшити ймовiрнiсть пропуску ССМ ураження блискавкою об'екту.
Щодо шших компонентiв ССМ (ОК, модуль зв'язку, приймач GPS та фор-мувач мпки часу, система живлення), то вони мають в основному таю ж характеристики, як i у випадку комплексно!' СМ.
6.3. Характеристика компонент системи
Даш розглянуто окремi компоненти СМ, орiентовнi параметри, на яю вони мають бути розраховаш, пропозици щодо можливих варiантiв реалiзацiï в системi та iн.
6.3.1. Вгдеокамери. Найбшьшу iнформативнiсть щодо фiксацiï факту i мю-ця ураження споруд блискавкою мае вщеозображення. Тому СМ базуються саме на використанш видеокамер. Вже згадувалося, що в сучасних 1Р-камерах, якi розглядаються для використання в СМ, наявний так званий «мертвий» час, пов'язаний iз записуванням кадру в пам'ять, а тому матриця в цей штервал часу не фшсуе потiк свпла, який на не1' потрапляе. Отже, у випадку короткотривало1' блискавки, лише з iмпульсною компонентою зворотного удару, ïï вiдеореестра-цiя iнколи може не вщбутись (за спецiальних налаштувань камер, ймовiрнiсть тако1' ситуацiï незначна - менше 1 %). Звичайно, усунути цей недолш можна шляхом застосування високошвидюсно1' камери, але ïï використання в СМ не е доцшьним через ïï високу вартють та великий об'ем вщеофайлу, який необхщно пересилати. Тому для СМ доцшьшше використовувати звичайнi вiдеокамери зi спецiальними налаштуваннями режиму роботи. Частота кадрiв у них може бути «звичайною» - 25 чи 50 к/с. Попередш тести, проведенi за участю авторiв, пiдт-
вердили можливють надшно1' вiдеореeстрaцiï кaнaлiв розрядiв для i пyльсниx стрyмiв з тривaлiстю y кiлькa десяткiв мжросекунд.
Для СМ пiдiйде бyдь-якa IP-вiдеокaмерa, в якiй нэявш розширенi нэдэшту-вaння. В пропоновaнiй концепцп СМ тa ССМ можнa, нaприклaд, використову-вaти вiдеокaмерy Raspberry Pi Camera Module v2, деякi пaрaметри яко1' предстэ-влено в тaбл. 2, зпдно дaниx у [21].
Таблиця 2
Пaрaметри Camera Module v2 _
Мэтриця Sony IMX219
Pоздiдьнa здaтнiсть фото 8 Мп 3280x2464 тксе^
Вщео 1080р30, 720р60
Функцп керyвaння тэ ш. Контроль експозици Бaдaнс бшого Смуговий фшьтр Aвтомaтичне виявдення яскрэвост1 50/60 Гц Kaдiбрyвaння р1вня чорного
6.3.2. Антена «повтьного» електричного поля. Антенэ «повшьного» елек-тричного поля дозволяе вимiрювaти змiнy постшного електричного поля поб-лизу землт Pеeстрaцiя цieï змiни дозволяе прогнозyвaти нaближення грозового фронту aбо зaродження грозовиx xмaр в зонi об'екту. Дiaпaзон реeстрaцiï змiни нaпрyженостi мae бути порядку ±30 кВ, чaс реaкцiï ~1 с.
Для розроблено1' концепцп СМ прийнято рiшення не використовyвaти «електричш млини» для реeстрyвaння нaпрyженостi квaзiстaтичного електричного поля через нэявшсть в ниx рyxомиx чaстин (a тому i обмеженого ресурсу роботи) тa необxiднiсть проводити кaлiбрyвaння нa певнiй висотi ïx встэнов-лення. Haтомiсть, прийнято вaрiaнт iз зaстосyвaнням чисто електронно1' системи вимiрювaння, нaприклaд, розроблено1' зпдно [16].
Серед готова рiшень для aнaлiзy змiни нaпрyженостi квaзiстaтичного електричного поля, можнэ орieнтyвaтися нэ дaтчики ATSTORM [8] вiд компaнiï Aplicaciones Tecnologicas, в якому використaно електронну систему вимiрювaння зa [16]. Baртiсть дэного дaтчикa досить знэчнэ. Тому може бути доцтьним проек-туввння энвдогу тэкого дэтчику для СМ iз нэступними xaрaктеристикaми:
- смута пропускэння 0.1-10 Гц;
- межi вимiрювaння нaпрyженостi електричного поля ±30 кВ;
- незaдежнiсть нэпруженост Е-поля вiд висоти встaновлення дэтчику.
6.3.3. Антена «швидкого» електричного поля. Антени «швидкого» електричного поля дозволяють оцiнювaти динaмiчнi змiни Е-поля, як вiдбyвaються пiд чэс розрядiв рiзного типу (в xмaрax тэ мiж xмaрaми i землею). Знову ж тэки, можнэ розглядэти готовi пристро1' з тэкими энтенэми [5]. З другого боку, тэт пристро1' можнэ спроектувэти i нэ стэдй' розробки певно1' СМ. Бaзовi стввщно-шення для цього нэведено нижче, зпдно [17].
Фiзична конф^уращя «швидко!» антени представляе собою iзольований вiд землi стрижень (хлистова антена) або ж пластину, як приеднано до елект-рично! схеми. Якщо розмiр антени набагато менший, нiж мiнiмальна довжина хвипи Д'-поля, антена буде виступати в якост1 емшсного джерела змшно! в чаш напруги, величина яко1 пропорцшна фоновому електричному полю в(1).
В екв1валентнш схем1 антени [17] на рис. 5 позначено:
- е^валентне джерело напруженостi фонового електричного поля;
ке - ефективна висота антени;
Са - еквiвалентна емнiсть антени;
С(, Кг - екв1 валентна емшсть та ошр кабелю, яким антену приеднано до схеми;
С - вим1рювальна емшсть;
В. - отр, який регулюе постiйну часу згасання.
С
Я
с
■АДАг
©е (*) К
С
С
Я К,
Рис. 5. Е^валентна схема антени для вимiрювання «швидкого» Е-поля [17]
Наведемо основш сшввццюшення для вибору параметр! в у випадку стри-жнево1 антени. Ефективна висота антени (ке) визначаеться, як вщношення напруги роз1мкнено1 екв1валентно1 схеми антени (Vр ) до напруженосп електричного поля в напрямку поляризацп антени (Е) [17]:
(1)
Для первинних розрахунюв можна прийняти = 1 м, а в подалыпому це значения експериментально уточнюеться та використовуеться як стала величина. Вихщний сигнал ©(£) в такш схем1 [17]:
ъ(р)=Е0кв
с.+с+с
т ,=Д(Св+Сс+С),
(2) (3)
де Е0 - амплiтуда поля, яке прийнято тут ступiнчатою функцiею.
Константа часу т,у визначае межу низьких частот смуги пропускания вимь рювально1 системи. Гранична частота смуги пропускания (нижче 3 дБ) визначаеться як 1/(2711^). Щоб отримати точне вим1рювання змшного електричного
поля, постшна часу антенно! системи повинна бути набагато бiльшою, нiж за-гальна тривалiсть змiнного поля в част Як показано в [17], щоб проводити з ш-женерною точнiстю вимiрювання поля, тривалiсть якого становить близько 100 мкс, постшна часу згасання вимiрювальноl системи повинна бути близько 1 мс.
Верхня межа частоти смуги пропускання вимiрювальноl системи визначаеть-ся ф1зичними роз Mi рам и антени, компонентами електрошки, як\ використовують-ся в cxeMi, та системою запису вихщного сигналу. Яюцо / е довжина стрижия, ие-
X
обхщно, щоб / « , де Хт - мш1мальна довжина хвши вим1рювань електричного поля. Щоб проводити вимiрювання Е-поля вщ ударiв блискавок, верхня межа пропускно! здатностi антени мае перевищувати приблизно 5.. .20 МГц [17].
Аналопчно можна розглянути i спiввiдношення для плоско! антени «швидкого» Е-поля. Зокрема, проведено моделювання за допомогою 8Р1СЕ-под1бно! комп'ютерно! програми Micro-Cap для антени з радiyсом пластиии rmi =120 мм. При мшмальнш частотi реестрування «швидкого» Е-поля 1 кГц, умова X
2 -гпп « виконуеться. Вщстань, на якш пластина розташована вщ заземленого
корпусу складае h = 50 мм . Для з'еднання антени i3 схемою п1дсиления викорис-тано коакслальний кабель довжиною 1 м (50 Ом, 80 пФ), штегруюча емшсть -15 пФ, розрядний резистор - 99 МОм, постшна часу - 1.485 • 10~3 с [17].
Для екв1валентного джерела e{t), було використано осцилограми та даш иа-пруженостi Е-поля, яю отримано експериментально з реальними блискавками на близьких вiдстанях (22 м [22]) та на бшьших вщстанях (1 км та 10 км [19, 23]). Да-нi з роботи [22] дозволили визначити мтмальш параметри електромагнiтного поля вщ мiнiмальних за амплiтудою струму блискавок, отриманих на вiдстанi 20 та 22 м вщ уражено! споруди (вежа, 100 м, записи 44 зворотних ударiв). Отримаш для мтмального струму значення, якi наведено в табл. 3, можуть слугувати поро-говими параметрами для спрацювання СМ та ССМ. Форму iмпульсiв Е-поля для задавання вхiдного сигналу на антеш при рiзних вiдстанях до блискавки (22 м, 1 та 10 км) апроксимовано за типовими осцилограмами полiв [17, 22, 23].
Таблиця 3
Мтмальш значення амплгтуди струму блискавки та вiдповiдного
електромагштного поля*
Параметр I, кА Н, А/м AEl, кВ/м AErs, кВ/м RE, кВ/м Т, мкс
Значення 1.8 40.6 0.6 1.5 -0.9 4.6
Прим1тка: дан1 взят1 з [22]; Н - напруженють магштного поля, AEL - напружеи1сть поля, створюваного л1дером, AEps - напружешсть Е-поля на стадИ зворотного удару, Т - час, за який ампл1туда досягае половини максимального значення, RE - результуюча напружен1сть електричного поля отримана за виразом: RE=AEL -AErs.
Результати моделювання представлено на рис. 6, де показано осцилограми вхщних та вихщних сигналiв схеми реестрацп Е-поля.
Micro-Cap 11 Evaluation Version Micro-Cap 11 Evaluation Version
Micro-Cap 11 Evaluation Version Fast E-measurements. 10000 m.cir
в
Рис. 6. Змша напруги вхщного сигналу (верхня крива, кВ) та вихщного сигналу (нижня крива, В) з часом (мкс) для плоско!' антени на вщсташ вщ блискавки:
а - 22 м; б - 1000 м; в - 10000 м
Отримаш сигнали на виходi схеми, як вщповщають тковим параметрам поля i представлено в табл. 4, можуть слугувати для вироблення тригеруючого сигналу для запису видеофрагменту в пам'ять СМ.
Таблиця 4
Пiковi параметри напруги на виходi антени, отримаш для вщстаней до блиска-_ _вки у 22, 1000 та 10000 м_
Вщстань, м 22 1000 10000
Напруга на виход1 антени V , В 46.6 405.2 7.7
У табл. 4 для випадку вщсташ 22 м напруга на виходi антени становить 46.6 В, тобто менша, шж для випадку 1000 м - 405.2 В. Це тому, що даш, як взято для моделювання на вщсташ 22 м, стосуються блискавки \з дпшмальним струмом (/=1.8кА). А для вщстаней 1000 та 10000 м взято середш значення напруженостi електричного поля, створюваного блискавками, згiдно [23].
Пiдсумок вимог до характеристик антени «швидкого» Е-поля:
- смуга пропускання - вщ 1 кГц до 5.. .20 МГц;
- мтмальна напруга на виходi iз антени, яка може слугувати тригерую-чим сигналом для запису вщео, складае ~45 В;
- забезпечення обмеження ампл^уди сигналу в ПС для АЦП.
6.3.4. Антена магнтного поля. Для вимiрювання магштного поля, створюваного блискавкою, може бути використана рамка iз дроту. 1ндукована напруга пропорцiйна швидкост змiни магнiтного потоку, що проходить через область рамки. Враховуючи, що площа петлi (А) е досить малою, можна вважати ста-лою нормальну складову щiльностi магнiтного потоку по плошд рамки [18]:
Вп=В соя а, (4)
де а - кут мiж вектором щiльностi магштного потоку та нормаллю до площини петлi. Величина шдукованоi напруги в рамцг
Коли cosa = 1 (a = 0°), шдукована напруга максимальна, а при
cosa = 0 (a = 90°) шдукована напруга дор1внюе нулю. Звщси випливае, що величина напруги для вертикально! рамково! антени, наведено! на !! кшцях, у фжсова-ному положеннi, е функщею вiд напрямку до джерела, а двi такi антени з ортого-нальними площинами можуть бути використаш для визначення напрямку на дже-рело магнiтного поля [18]. Отже, для отримання горизонтально! (азимутально!) компоненти магнiтного поля, яка е домшуючою компонентою для вертикальних канашв блискавки, необхiднi двi вертикальнi рамковi антени. Оскiльки, сигнал на виходi рамки антени е пропорцiйний похщнш шдукци магнiтного поля, сигнал треба штегрувати, щоб отримати величину шдукци поля. Це можна виконати, ви-користовуючи схему RC або RL. Також вимiрюваний сигнал похiдно! поля може бути штегрований чисельно. Як приклад, нижче обговорено випадок з штеграто-ром RC, а е^валентну схему тако! системи представлено на рис. 7, де позначено вщповщш параметри антени, штегратора та реестратора.
ь
я
■ЛЛАг
0 V = А
йВ
с
я
Антена 1нтегратор Реестратор Рис. 7. Еквiвалентна схема магнттно! антени [18]
С три умови для неспотворено! реестрацп магнiтного поля за допомогою тако! вим1рювально! системи [18]:
1) Я »1/со С ( со »1/(7? С ); Сы - знехтувана), яка визначае нижню частоту смути пропускания \ екв1валентна умов1 М «т (т = ЯС); тут со - екв1вале-нтна кругова частота сигналу магштного поля;
2) Я » /со/, (со « Я/Ь ), яка визначае верхню частоту смуги пропускания;
3) Ят » Я, яказабезпечуе, щоб С розряджалась насамперед через Я, а не Я/п.
При цих трьох умовах вихщна напруга не залежить вщ частоти i визначаеться [18]:
у =
ОШ
(6)
Щоб екранувати антену магштного поля вщ дп Е-поля, застосовують заземлений розiмкнений екран, в який розмiщують рамкову антену. Широкого по-ширення набуло застосування коакшального кабелю в якосл антени для реест-рування магштного поля блискавки, в якш зовшшнш екран розривають, щоб уникнути створення замкненого витка, та заземлюють [18]. Таке ршення до-зволяе використовувати внутршнш провiдник кабелю як рамкову антену.
Застосування рамково! магнттно! антени в СМ школи е незручним у зв'язку iз великими габаритними розмiрами (дiагональ одновитково! рамково! антени може сягати 1-2 м). Використання феритових стрижшв дозволяе змен-шити розмiри в декiлька разiв, але антена з феритовим стержнем потребуе бь льшо! кiлькостi виткiв i мае меншу резонансну частоту, нiж рамкова антена. Резонансна частота феритово! антени для широкосмугового прийому, в якому ле-жить основний спектр магштного випромшення блискавки, не повинна пере-вищувати 30.. .100 кГц [18, 24].
В ССМ можна використовувати, наприклад, готовий датчик типу MOD-1016 [25] в якосл детектора грозових розрядiв i сигналiзатора про наближення грозового фронту. До його переваг можна вщнести компактнють, низьке енер-госпоживання, дальнiсть реестрацп до 40 км, цифровий штерфейс для шдклю-чення (SPI, 12С). До недолiкiв - неможливiсть реестрування форми сигналiв ма-гнiтного поля блискавки, та вщсутшсть детально! шформацп про параметри блискавки, для яких проводилось калiбрування датчику.
Шдсумок вимог щодо характеристик антени магштного поля:
- смуга пропускання - вщ 3 кГц до 30 (краще 100) кГц;
- забезпечення компактност антени (феритовий стрижень).
6.3.5. Оптичний датчик. Застосування оптичного датчику на основi фото-дюду дозволяе тригерувати СМ за розрядом поблизу об'екту. 1нформашя з ан-тен поля залежить вiд мiсця iх встановлення, наявност поблизу iнших великих об'еклв, якi можуть змiнювати параметри поля, i вiд характеристик струму блискавки. Потужна блискавка на далекш вiдстанi може створювати таке ж за ампл^удою поле, яке буде створене меншим струмом на близькш вiдстанi. Да-льнiсть, на якш оптичний датчик може тригерувати СМ, вщповщно до даних [11, 26], може складати сотнi та десятки сотень метрiв, що цiлком е достатньо для тригерування системи мошторингу блискавок, як вражають об'екти.
З готових грозодетекторiв, якi мiстять оптичний приймач, можна згадати датчик грозових розрядiв УЛКЛЬЛ Т88928 [5]. Вш рееструе серед iнших характеристик також i оптичне випромiнювання вiд блискавки на близьких вщста-нях, так зване засвплювання неба. Виробник не надае детальних технiчних характеристик щодо оптодатчику. Так само i в системi з в^еореестрашею, яку ви-користано для ЛЕП-500 кВ [13], вказуеться на наявнють оптодатчику, але не подаеться детальноi iнформацii щодо його характеристик.
Автори дослщжували оптодатчик власноi розробки, побудований на швид-кому фотодiодi з чутливютю у видимому та шфрачервоному дiапазонi (0.31.1 мкм). Попередш випробування показали, що розроблена схема забезпечуе реестрацш iмпульсiв з розрiзненням на фронтi не гiрше 1 мкс. Випробування модулю оптодатчику проводилися на високовольтних генераторах напруги (Г1Н) та струму (Г1С). Наприклад, тести з Г1С (рис. 8) давали можливiсть забез-печувати iмпульснi дуги зi струмом у 20.30 кА, як у типових реальних блис-кавках на стадп зворотного удару [19]. Часовi характеристики застосованих ко-ливальних iмпульсiв (5, 27, 40 мкс - час 1-го, 2-го, 3-го пшв, вщповщно) вiдно-сяться до дiапазону мiнiмальних величин тривалостi iмпульсiв, яю спостерiга-ють для ударiв типових блискавок. Зокрема, у кумулятивних розподшах трива-лостей iмпульсiв струмiв для перших ударiв блискавок 95-% величиш вiдповi-дае ~30 мкс, а для наступних ударiв - 6.5 мкс [19].
Рис. 8. Структурна схема випробувань оптодатчика на стевдд з генератором iM-
пульсних c^yMiB (ICG): G - електроди розрядного промiжкy; S - шунт; OL - оптоволоконна лтя; LD - модуль оптодатчику; Osc - осцилограф
Експериментальш осцилограми коливального затухаючого iмпyльсy струму розряду у короткому промiжкy (5 мм) та сигналу оптодатчику представлено у вщносних одиницях на рис. 9.
А ■ -1.,
V__^ _ ~ л \ 2 ч
1 "V V V »1
\ \
V t, ys
Q , ______________I-
'О 20 40 60 80 100 120 140
Рис. 9. Осцилограми жпульсу струму у розряд1 (1с, крива 1) та сигналу оптодатчику (4, крива 2) у вщносних одиницях: струм - запис з шунта, 21 кА; час ? - в мкросекундах
Амплггуда струму рееструвалася з використанням малошдуктивного шунта 1 в цьому дослщ становила 21 кА. Коливання струму практично повшстю згасають за 80 мкс, а шгенсивнють оптичного сигналу починае р1зко спадати десь з 60 мкс (до половини амплггуди - за 65 мкс), але дал1 згасае значно шзш-ше (120 мкс), шж струм. Шкове значення оптичного сигналу досягаеться з пев-ною затримкою (~3.6 мкс) вщносно тка струму. Результати тест1в загалом уз-
годжуються i3 спостереженнями iнших дослiдникiв щодо затримки свiтiння (1.8 мкс) i його iнерцiйностi у випадку природних блискавок [27]. Питання щодо потужностей оптичного випромшювання з каналу розряду до^джувалися в [27, 28] i, наприклад, для розрядiв з амплпудою струму 10 та 19.7 кА на вщста-нi бшя 200 м становили 503 та 2075 Вт/м2, вiдповiдно [27].
Отже, щодо вимог до характеристик оптодатчику можна шдсумувати:
- р1вношрна чутливюгь у видимому та ближньому шфрачервоному дапазош;
- розрiзнення - одинищ микросекунд, вщстань реестрацп блискавки - порядку 500 м;
- параметри сформованого тригерного сигналу на виход схеми - 5.. .10 В, 0.1.. .0.5 с.
6.3.6. Звуковий датчик. Вс основнi типи розрядiв (в хмарах, мiж хмарами,
хмара-земля), здатнi продукувати ^м. Дослiдження показують, що основний спектр акустичного випромiнювання далеко! блискавки лежить в дiапазонi 0150 Гц, з тком поблизу 100 Гц [29]. Значна потужшсть е i в iнфразвуковому дь апазош (0.20 Гц) [29]. На ближшх вiдстанях спектри грому дослiджувалися з тригерованими блискавками [29], де акустичний основний спектр отримано у дiапазонi орiентовно 200. 1800 Гц. Таким чином, для реестрування грому мо-жуть пiдiйти конденсаторнi мшрофони, в яких нижня межа дiапазону частоти становить близько 0.5 Гц. Верхня межа !хнього частотного дiапазону може складати десятки кiлогерц, тому звуковий датчик повинен мати фшьтр, який обмежить реестрування звуку до частоти 1.2 кГц.
7. SWOT-аналiз результат дослiджень
Strengths. Позитивним результатом даного дослiдження е пропозицiя кон-цепцi! системи монiторингу блискавок, як уражують об'екти, що мае розшире-нi можливостi в порiвняннi з юнуючими системами грозопопередження та мониторингу. Це забезпечуеться за рахунок обгрунтованого вибору видiв i характеристик датчиюв, якi рееструють рiзнi характеристики явищ, що супроводжу-ють розряди блискавок, i застосування кшькох камер вiдеореестрацi!. Реалiзацiя таких СМ дозволить з високою ефективнiстю рееструвати блискавки рiзних ви-дiв на об'екл та поблизу нього i точно визначати мiсце ураження. Це забезпе-чить технiчнi i економiчнi вигоди пiд час експлуатацi! великих об'еклв i обслу-говуваннi !х систем блискавкозахисту. А також надасть додатковi можливостi для аналiзу уражень блискавками i ефективного планування усунення пошко-джень, статистичнi данi по грозовш активностi в зонi об'екту та шформацш для покращення характеристик засобiв захисту. Також позитивним результатом е пропозищя двох варiантiв СМ (комплексно! та спрощено!), що дае певну гну-чкiсть у виборi СМ залежно вiд характеристик i особливостей об'екту захисту, умов експлуатацп, вимог щодо надiйностi, економiчних можливостей та iн.
Розробка сучасних високотехнолопчних СМ грозово! активностi, поряд з науково-прикладними задачами, дозволить вирiшувати ряд важливих завдань для рiзних галузей. Зокрема, сприятиме розвитку нових пiдходiв до проекту-вання iнженерно-технiчних споруд i сучасних систем блискавкозахисту, безпе-чнiй експлуатацi! рiзних об'ектiв, зменшенню економiчних збиткiв, пов'язаних iз грозовими явищами, а також безпечнш життедiяльностi людей.
Weaknesses. До слабких сторш запропоновано! концепцп СМ можна вщне-сти певну складшсть комплексно! СМ i наявнють багатьох компонент. Додат-кових до^джень, проробки i витрат потребують питання вибору режимiв ре-естрацп звичайними вiдеокамерами короткотривалих склад ■ рсзр^дах блискавок, тестування датчикiв також i в природних умовах та розробки про-грамного забезпечення СМ в цшому.
Opportunities. В подальшому доцiльно дослiдити можливiсть оптимiзацi! структури СМ для кожного рiзновидy об'еклв, надiйно! роботи в рiзнy пору доби i погодних умов. А також детальшше розробити алгоритми роботи вщпо-вiдних варiантiв СМ та програмного забезпечення з метою наближення до сто-вщсотково! вщеореестрацп блискавок на об'екл.
Threats. До загроз вщносяться необхiднiсть додаткових витрат на розробку i тестування СМ, придбання, монтаж, обслуговування i поточне проведення аналiзy даних, що звичайно призведе до певного збшьшення вартостi продукцп вiдповiдних шдприемств, де такi СМ буде впроваджено.
8. Висновки
1. Проведено аналiз iснyючих систем грозового попередження та систем монiторингy. Визначено, що в рядi локальних систем основним недолжом е вь дсутшсть засобiв вiдеореестрацi!, що не дозволяе визначати мюце ураження об'ектiв. Там де вони юнують, е потреба розвинути бшьш надiйнi пiдходи до тригерування запишв системою та подальшого аналiзy. На основi аналiзy запропоновано два варiанти концепцi! системи мониторингу блискавок, що вра-жають великi споруди i вiдбyваються поблизу них - комплексну СМ та спро-щену СМ (ССМ). В обох застосовано вщеокамери та додатковi датчики.
2. Визначено структуру запропонованих СМ, описано основнi режими !х роботи, за даними дослщжень блискавок встановлено параметри грозових явищ i блискавок, якi мають детектуватися для тригерування СМ та рееструватися (за допомо-гою датчиюв електричного та магнiтного полiв, оптичного сигналу, грому).
3. Сформульовано вимоги щодо необхщних характеристик окремих компонент СМ та запропоновано можливi варiанти датчикiв (готовi продукти та ri, що можуть бути розроблеш спецiально для СМ), наведено методики i ре-зультати розрахyнкiв та моделювання окремих датчиюв електричного та магш-тного поля. Рекомендовано:
- вщеокамери - типу IP, 25.50 к/с, з розрiзненням вщ 1920х1080 пiкселей;
- швидкi (1 мкс) оптодатчики з чyтливiстю в дiапазонi 0.4. 1 мкм;
- антени «повтьного» електричного поля - електронного типу, без рухо-мих частин, зi смугою пропускання - 0.1.10 Гц;
- антени «швидкого» електричного поля - стрижень чи пластина, 1 кГц.5 (кра. е .0) МГц;
для реестрацп магнiтного поля - компактш феритовi антени, 3.30 (краще 100) кГц;
для фжсування грому - мкрофони конденсаторного типу, на частот! вщ 0 до 1.2 кГц.
У СМ та ССМ доцтьно використовувати ПЗ на основ! бiблiотеки комп'ютерного зору Open CV для виокремлення кадрiв !з записом розряду блискавки.
4. Виконано первинш випробування оптичного датчику Í3 застосуванням високовольтного генератора iмпульсних струмiв. Результати пiдтвердили пра-цездатшсть оптодатчику i можливiсть реестрацп короткотривалого свiтлового випромiнювання (десятки мiкросекунд) Í3 каналу iмпульсного розряду 3i стру-мом (20. 30 кА), характерним для ударiв типово! блискавки.
Лггература
1. Cummins, K. L. An Overview of Lightning Locating Systems: History, Techniques, and Data Uses, With an In-Depth Look at the U.S. NLDN [Text] / K. L. Cummins, M. J. Murphy // IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility. - 2009. - Vol. 51, No. 3. - P. 499-518. doi: 10.1109/temc.2009.2023450
2. Richard, P. Safr: Operational System For Long Range Monymring Of thunderstorm Activity [Text] / P. Richard, A. Soulage, F. Broutet, J. Y. Iojou, P. Bettencourt // 10th Annual International Symposium on Geoscience and Remote Sensing. - 1990. - P. 1889-1892. doi: 10.1109/igarss. 1990.688892
3. Rakov, V. A. Lightning: physics and effects [Text] / V. A. Rakov, M. A. Uman. - Cambridge University Press, 2003. - 687 p.
4. Stock, M. Improvements to the BOLT lightning location system [Text] / M. Stock, T. Wu, Y. Akiyama, T. Ushio, Z. Kawasaki, Y. Nakamura, M. Stock, Z. Kawasaki // 2016 33rd International Conference on Lightning Protection (ICLP). - Estoril, 2016. - P. 1-4. doi: 10.1109/iclp.2016.7791365
5. VAISALA [Electronic resource]: Official Site. - Available at: \www/URL: http://www.vaisala.com/. - 10.11.2017.
6. THOR GUARD [Electronic resource]: Official Site. - Available at: \www/URL: http://www.thorguard.com/. - 10.11.2017.
7. Products [Electronic resource]: Official Site // BOLTEK. - Available at: \www/URL: http://www.boltek.com/catalog/products/. - 10.11.2017.
8. Aplicaciones Tecnológicas [Electronic resource]: Official Site. - Available at: \www/URL: http://lightningprotection-at3w.com/. - 10.11.2017.
9. Lightning & Surge Technologies [Electronic resource]: Official Site. - Available at: \www/URL: http://www.lightningman.com.au/. - 10.11.2017.
10. Bloemink, H. Static electricity measurements for lightning warnings: an exploration [Text] / H. Bloemink. - INFRA-R&D KNMI, 2013. - 28 p.
11. Matsui, M. Evaluation ofLightning Location accuracy of JLDN with a lightning video camera system [Text] / M. Matsui, N. Takano // 2010 Asia-Pacific International Symposium on Electromagnetic Compatibility. - Beijing, China, 2010. - P. 1142-1145. doi: 10.1109/apemc.2010.5475826
12. Huang, B. Remote online observation system of power system lightning stroke [Text] / B. Huang, Z. Fu, J. Chen, C. Gu // 2014 International Conference on Lightning Protection (ICLP). - Shanghai, 2014. - P. 922-926. doi:10.1109/iclp.2014.6973255
13. Shanqiang, G. Application of lightning optical path monitoring system on 500 kV transmission lines in mountain area [Text] / G. Shanqiang, Y. Biwu, Z. Chun, W. Tao, L. Qing // 2016 33rd International Conference on Lightning Protection (ICLP). - Estoril, 2016. - P. 1-5. doi: 10.1109/iclp.2016.7791413
14. Yan, N. Lightning stroke optical triggering circuit design for overhead line [Text] / N. Yan, Z. Shi, N. Xu, B. Wang, Z. Fu // 2014 International Conference on Lightning Protection (ICLP). - Shanghai, 2014. - P. 205-209. doi: 10.1109/iclp.2014.6973122
15. Xiang, N. A Precisely Synchronized Platform for Observing the Lightning Discharge Processes [Text] / N. Xiang, S. Gu // 2011 Asia-Pacific Power and Energy Engineering Conference. - Wuhan, 2011. - P. 1-3. doi:10.1109/appeec.2011.5748369 "
16. Device and system for the measurement of an external electrostatic field, and system and method for the detection of storms [Electronic resource]: Patent US 7508187 B2 / Pomar Garcia C., Puchades Marco J.; assignee: Aplicaciones Tecnologicas, S.A. - Appl. No. US 11/666,193; Filed October 25, 2005; Publ. March 24, 2009. - Available at: \www/URL: https://www. google.com/patents/US7508187
17. Cooray, V. The Lightning Flash [Text] / ed. by V. Cooray. - Ed. 2. - The Institution of Engineering and Technology, 2014. - 926 p. doi: 10.1049/pbpo069e
18. Rakov, V. A. Fundamentals of Lightning [Text] / V. A. Rakov. - Cambridge University Press, 2016. - 248 p. doi:10.1017/cbo9781139680370
19. Rakov, V. A. Lightning parameters for engineering applications - An update on CIGRE WG C4.407 activities [Text] / V. A. Rakov // 2011 International Symposium on Lightning Protection. - IEEE, 2011. doi: 10.1109/sipda.2011.6088434
20. Open Source Computer Vision Library [Electronic resource]. - Available at: \www/URL: http://opencv.org. - 10.11.2017.
21. Raspberry Pi Camera Module No. 913-2664 [Electronic resource]. - Available at: \www/URL: https://cdn.sparkfun.com/datasheets/Dev/RaspbeiiYPi/RPiCamMod2.pdf. - 10.11.2017.
22. Mosaddeghi, S. A. Electromagnetic Environment Associated with Lightning Strikes to Tall Strike Objects [Text]: PhD thesis / S. A. Mosaddeghi. - Lausanne, Switzerland, 2011. - 152 p.
23. Lin, Y. T. Characterization of lightning return stroke electric and magnetic fields from simultaneous two-station measurements [Text] / Y. T. Lin, M. A. Uman, J. A. Tiller, R. D. Brantley, W. H. Beasley, E. P. Krider, C. D. Weidman // Journal of Geophysical Research. - 1979. - Vol. 84, No. C10. - P. 6307-6314. doi: 10.1029/jc084ic10p06307
24. Kravchenko, V. I. Grozozashchita radioelektronnyh sredstv [Text]: Handbook / V. I. Kravchenko. - Moscow: Radio i sviaz', 1991. - 264 p.
25. MOD-1016 HWv8 [Electronic resource] // Embedded Adventures. - September 8, 2015. - Available at: \www/URL: https://www.embeddedadventures.com/datasheets/MOD-1016 hw v8 doc v4.pdf - 10.11.2017.
26. Wiacek, M. Advanced Optical Image Processing Analysis of Tall Structure Lightning Events by Digital High Frame Rate Optical Images System and Spectroscopy [Text] / M. Wiacek, Y. Uchida, J. S. Chang, W. Janischewskyj, A. M. Hussein, V. Shostak, T. Sakuta // Proceedings XIV International Conference on Gas Discharges and their Applications. - Liverpool, UK, 2002. - Vol. 2. - P. 296-300.
27. Quick, M. G. Optical power and energy radiated by natural lightning [Text] / M. G. Quick, E. P. Krider // Journal of Geophysical Research: Atmospheres. - 2013. -Vol. 118, No. 4. - P. 1868-1879. doi:10.1002/jgrd.50182
28. Quick, M. G. Optical emission and peak electromagnetic power radiated by return strokes in rocket-triggered lightning [Text] / M. G. Quick, E. P. Krider // 2014 International Conference on Lightning Protection (ICLP). - Shanghai, 2014. -P. 2011-2015. doi: 10.1109/iclp.2014.6973459
29. Holmes, C. R. On the power spectrum and mechanism of thunder [Text] / C. R. Holmes, M. Brook, P. Krehbiel, R. McCrory // Journal of Geophysical Research. -1971. - Vol. 76, No. 9. - P. 2106-2115. doi:10.1029/jc076i009p02106
